La transition énergétique nécessite non seulement de nouvelles sources mais également des moyens efficaces de stocker et de transporter l’énergie. Des scientifiques de l'Université de Kiel (CAU) ont développé un nouveau catalyseur capable de convertir le dioxyde de carbone (CO₂), l'un des gaz à effet de serre les plus importants, en méthane. Ce gaz constitue un vecteur énergétique polyvalent et peut être directement injecté dans les réseaux de gaz naturel existants.
Le nouveau catalyseur est peu coûteux, durable et plus performant que les matériaux utilisés industriellement. Les résultats viennent d'être publiés dans ChemSusChem.
Power-to-gas : stocker le CO₂ sous forme de méthane
Le concept sous-jacent du Power-to-Gas (PtG) stocke l’énergie renouvelable sous forme chimique. En utilisant l’électricité, les chercheurs génèrent d’abord de l’hydrogène, puis le réagissent avec le CO₂ pour former du méthane. « Dans des conditions réelles, le mélange réactionnel fluctue en raison des variations de l'approvisionnement en électricité provenant de l'énergie éolienne et solaire. Nous avons donc besoin de catalyseurs qui fonctionnent de manière fiable même dans des conditions aussi variables », explique le professeur Malte Behrens de l'Institut de chimie inorganique de l'Université de Kiel, qui dirige le sous-projet de Kiel dans le cadre du programme prioritaire DFG SPP 2080.
Ce projet interdisciplinaire combine la chimie, la physique, la science des matériaux et l'ingénierie. Typiques du domaine de recherche prioritaire « Kiel Nano, Surface and Interface Science » (KiNSIS), les scientifiques étudient les matériaux depuis l'échelle atomique jusqu'aux applications techniques, en adaptant leurs propriétés pour une utilisation pratique.
La nanostructure stimule l'efficacité
L'équipe de Kiel a adapté un concept éprouvé pour le nouveau catalyseur : ils ont combiné les éléments nickel et magnésium au niveau atomique. Cette co-cristallisation contrôlée forme une solution solide qui, juste avant la réaction proprement dite dans le réacteur, se sépare en minuscules particules de nickel stabilisées par de l'oxyde de magnésium. L'oxyde de magnésium améliore également l'adsorption du CO₂, rendant la réaction particulièrement efficace.
« Cette structure à l'échelle nanométrique est essentielle », déclare la doctorante Anna Wolf, première auteure de l'étude. « Les particules de nickel restent uniformément réparties et l'oxyde de magnésium favorise de manière significative la formation de méthane. »
Le résultat est impressionnant : même à des températures relativement basses de 260°C, le catalyseur convertit de grandes quantités de CO₂ en méthane. Concrètement, seulement 1 kilogramme de matériau peut produire suffisamment de méthane en moins d’une semaine pour chauffer une maison unifamiliale pendant une année entière.
Du laboratoire à l'application industrielle
L’équipe attribue son succès à l’optimisation minutieuse de chaque étape de synthèse. « Tout a commencé avec l'idée de transférer un concept éprouvé vers un nouveau système de matériaux », explique Behrens. « Le fait que notre catalyseur surpasse désormais les matériaux industriels souligne la valeur d'une recherche fondamentale systématique. »
Les chercheurs étendent actuellement leurs résultats de laboratoire et testent le catalyseur dans des conditions réelles de PtG en collaboration avec des partenaires de l'Université de Hambourg. Le programme prioritaire SPP 2080 « Catalyseurs et réacteurs dans des conditions de fonctionnement dynamiques pour le stockage et la conversion de l'énergie » est coordonné par l'Institut technologique de Karlsruhe (KIT). Dans douze sous-projets, des équipes de recherche de toute l’Allemagne travaillent en étroite collaboration pour relever ce défi.
